Les chercheurs identifient et éliminent l’obstacle de l’efficacité des cellules solaires organiques

Les chercheurs identifient et éliminent l’obstacle de l’efficacité des cellules solaires organiques
Les chercheurs identifient et éliminent l’obstacle de l’efficacité des cellules solaires organiques
30 sept. 2021

(Nouvelles de Nanowerk) Des chercheurs de l’UC Santa Barbara et de huit autres institutions ont identifié un mécanisme clé responsable de la baisse de l’efficacité des cellules solaires organiques et ont démontré un moyen de surmonter cet obstacle. Leurs résultats, publiés dans la revue La nature (“Le rôle de la recombinaison de charge sur les excitons triples dans les cellules solaires organiques”), suggèrent la possibilité de développer des cellules solaires organiques avec des efficacités comparables aux cellules à base de silicium.

L’équipe a identifié une voie dans les cellules solaires organiques où le courant est perdu, ce qui les rend moins efficaces que les cellules à base de silicium pour convertir la lumière du soleil en électricité. Ils ont découvert un moyen de supprimer cela en manipulant des molécules à l’intérieur de la cellule solaire pour empêcher un état indésirable conduisant à une perte de courant.

“C’est un travail de grande envergure qui a pris beaucoup de temps pour collecter des données”, a déclaré Thuc-Quyen Nguyen, professeur à l’UC Santa Barbara et l’un des auteurs correspondants de l’étude. Les examens et les révisions ont pris à eux seuls un an et demi, a-t-elle ajouté.

Les cellules solaires organiques sont flexibles, légères, semi-transparentes et bon marché – des caractéristiques qui signifient que les cellules pourraient considérablement élargir la gamme d’applications de la technologie solaire. Par exemple, des cellules solaires organiques pourraient être enroulées autour de l’extérieur des bâtiments ou recouvrir les fenêtres en verre et les serres pour générer de l’énergie pour l’éclairage intérieur, ce qui n’est pas possible avec des panneaux de silicium conventionnels.

Ils sont également beaucoup plus respectueux de l’environnement à produire. Par exemple, elles sont 1 000 fois plus minces que les cellules solaires au silicium et peuvent être produites à basse température via des méthodes de traitement en solution telles que l’impression, le revêtement rouleau à rouleau, la pulvérisation, etc.

Un module de cellule solaire organique développé par OPVIUS GmbH à Kitzingen, en Allemagne. (Photo : Renaud Demadrille, CEA Grenoble)

“Les cellules solaires organiques peuvent faire beaucoup de choses que les cellules solaires inorganiques ne peuvent pas faire, mais leur développement commercial a plafonné ces dernières années, en partie à cause de leur efficacité inférieure”, a déclaré le premier auteur Alexander Gillett du laboratoire Cavendish de Cambridge. « Une cellule solaire typique à base de silicium peut atteindre des rendements allant jusqu’à 20 à 25 %, tandis que les cellules solaires organiques peuvent atteindre des rendements d’environ 19 % dans des conditions de laboratoire et des rendements réels d’environ 10 à 12 %.

Les cellules solaires organiques produisent de l’électricité en imitant vaguement le processus naturel de la photosynthèse dans les plantes, sauf qu’elles utilisent finalement l’énergie du soleil pour créer de l’électricité plutôt que de convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose. Lorsqu’un photon frappe une cellule solaire, il excite un électron et laisse derrière lui un « trou » dans la structure électronique du matériau. La combinaison de cet électron excité et de ce trou est connue sous le nom d’exciton. Si l’attraction mutuelle entre l’électron chargé négativement et le trou chargé positivement peut être surmontée, il est possible de récolter ces électrons et ces trous sous forme de courant électrique.

Cependant, les électrons des cellules solaires peuvent perdre leur énergie et retomber dans le « trou » vide dans un processus appelé recombinaison de charge. Les cellules solaires organiques sont plus sujettes à la recombinaison car il y a une attraction plus forte entre l’électron et le trou dans les matériaux à base de carbone que dans le silicium. Cela affecte à son tour leur efficacité.

Les chercheurs utilisent deux composants pour empêcher l’électron de se recombiner avec le trou : un matériau donneur, qui contribue aux électrons, et un matériau accepteur, qui absorbe les électrons pour générer et transporter des charges.

En combinant spectroscopie et modélisation informatique, les chercheurs ont pu suivre les mécanismes à l’œuvre dans les cellules solaires organiques, de l’absorption des photons à la recombinaison. Ils ont découvert qu’un mécanisme de perte clé dans les cellules solaires organiques est causé par la recombinaison à un type particulier d’exciton, connu sous le nom d’exciton triplet.

Dans les cellules solaires organiques, les excitons triplets présentent un problème difficile à surmonter, car ils sont énergétiquement favorables. Les chercheurs ont découvert qu’en créant de fortes interactions moléculaires entre les matériaux donneurs d’électrons et accepteurs d’électrons, il est possible de maintenir l’électron et le trou plus éloignés, empêchant ainsi la formation d’excitons triplés.

Le projet a débuté par une collaboration entre les équipes de l’UC Santa Barbara et de Cambridge. “J’ai été tellement surpris quand Alex a partagé le résultat d’une analyse d’un système de mélange développé à l’UCSB qui a montré qu’il était possible d’éliminer la perte d’exciton triplet”, a déclaré Nguyen.

Nguyen a encouragé Gillett à analyser plusieurs autres mélanges pour s’assurer que le résultat était universel. Il lui a fallu plus de deux ans pour collecter les données avec six équipes de recherche travaillant ensemble. « Ce travail met en évidence l’importance de la recherche collaborative pour faire avancer la science », a-t-elle ajouté.

“Le fait que nous puissions utiliser les interactions entre les composants d’une cellule solaire pour désactiver la voie de perte d’excitons triplet était vraiment surprenant”, a déclaré Gillett. « Notre méthode montre comment vous pouvez manipuler des molécules pour empêcher la recombinaison de se produire. »

Les chercheurs affirment que leur méthode fournit une stratégie claire pour obtenir des cellules solaires organiques avec des rendements de 20 % ou plus en arrêtant la recombinaison en états d’excitons triplés. Dans le cadre de leur étude, les auteurs ont également pu fournir des règles de conception des matériaux donneurs et accepteurs d’électrons pour atteindre cet objectif.

Le prochain obstacle pour le domaine est d’améliorer la durée de vie des cellules solaires organiques. L’équipe travaille actuellement à résoudre ce problème via l’ingénierie des matériaux.

“Maintenant, les chimistes synthétiques peuvent concevoir la prochaine génération de matériaux donneurs et accepteurs avec de fortes interactions moléculaires pour supprimer cette voie de perte”, a déclaré Nguyen. “Ce travail montre la voie à suivre pour développer des cellules solaires organiques avec des efficacités plus proches des cellules à base de silicium.”

 
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